（互补场效应晶体管）时代，芯片性能的博弈已不再仅仅局限于尺寸的微缩，而演变成了一场关乎物理极限的“生存挑战”。
为了不让昂贵的芯片在运算中“过热”，工程师们不得不接受一个残酷的现实：让大量晶体管在通电时保持静止状态——这便是困扰行业已久的“暗硅（Dark Silicon）”难题。如今，尖端 AI 芯片内部的热点功率密度已然超越了火箭喷嘴喷射时的炽热。在这场算力竞速中，制程不再是唯一的胜负手，“谁能更有效地搬运热量”，谁才能真正释放被封印的算力潜能。
在过去五十多年里，在摩尔定律“每两年晶体管数量翻倍”的趋势推动下，工程师们不断的提高单位面积内可集成的晶体管数量。技术发展过程中芯片设计、制造、以及材料何设备等产业链人员发挥所长从材料到设计制备持续优化，使得摩尔定律能够持续的演进。
然而，当整个产业长期聚焦于逻辑密度的提升时，一个不可忽视的副作用也日益凸显——热管理问题。在当今 CPU、GPU 所采用的片上系统（SoC）架构中，温度直接影响处理器的性能、功耗和能源效率。一直处在高温状态会减缓关键电信号的传播速度，并可能会引起芯片性能发生永久性退化；同时，高温还会加剧晶体管的漏电流，造成额外的能量损耗。这一连锁反应最终削弱芯片的整体能效——为完成同样的计算任务，系统要消耗慢慢的变多的电能。
问题的根源在于另一条曾长期支撑半导体微缩的定律——Dennard 缩放定律的终结（该定律的提出者也是现代DRAM内存技术发明人Robert H Dennard）。该定律曾指出，随晶体管缩小，工作电压应同步降低以保持总功耗不变。但在 2000 年代中期，该定律事实上失效，因为继续降压会损害晶体管功能。逻辑密度提高的同时，功率密度同步攀升，最终以热的形式释放。
如今当前处理器上的热点功率密度已达1 kW/cm²，这一数值已远高于火箭喷嘴内部的温度。DARPA 项目经理Avram Bar-Cohen 指出，由于发热限制高级微处理器中慢慢的变多的晶体管无法同时运行。这部分“暗硅”比例已从 10% 升至 20%，甚至更高。关于暗硅的介绍小编之前有介绍过，感兴趣的同学可查看下方链接。
随着芯片在体积更小、算力更强的方向上持续演进，高效散热将成为保障其性能与寿命的关键前提。传统的风冷（金属鳍片+风扇）系统体积非常庞大、噪音高且功耗大。对于 3D 堆叠 IC，层间形成的热阻使外部风扇完全没有办法满足需求。当前在AI时代下传统散热方式已难以支撑即将到来的新一代芯片技术。
芯片级散热技术是直接在芯片表面或内部实施的散热措施，可以更快速、更高效地将热量从热源（芯片）传导出去。由于芯片空间狭小、环境复杂，这类技术对散热材料性能和器件结构设计要求极高。按照散热方式是否需要外加能量，将芯片散热方式分为主动式与被动式，主动式散热主要包括强制对流散热、蒸汽压缩制冷及热电制冷等，被动式散热主要包括自然对流散热、热管冷却和相变储热散热。
此外，根据热量从热源到换热结构的传导路径不同，芯片级散热技术一般可分为三种类型：
远端冷却架构（Remote Cooling Architecture）：芯片通过两层热界面材料（TIM）将热量传导到热沉或冷板。该方式是传统的远端散热方案，但随着芯片功率密度增加，其散热能力逐渐受限。
近芯片冷却架构（Near-Chip Cooling Architecture）：为应对功率密度和芯片面积增加带来的散热压力，近芯片冷却架构直接将芯片通过一层TIM与热沉或冷板贴合，减少了中间的热阻层，从而提升可冷却的热流密度。相比远端冷却，这种方式能够更高效地传导热量，提高芯片整体散热性能。
芯片内嵌冷却架构（Embedded On-Chip Cooling Architecture）：通过消除芯片与热沉之间的TIM，在芯片衬底上刻蚀微通道，并引入流体冷却介质，实现直接内部散热。此方式能够将热量从芯片核心快速带走，是应对高功率密度芯片的先进散热方案。
将冷却介质放置在距离晶体管仅几微米的位置，通过在芯片或基板中刻蚀微流体通道实现。2015 年，乔治亚理工学院 Muhannad Bakir 团队在商用 FPGA 上演示了首个片上嵌入式液冷。他们在硅层背面刻蚀200微米高的微通道。该技术使 FPGA 温度降低了60% 以上，且可嵌入三维堆叠芯片之间。为了展示潜力，团队甚至在冷却通道中嵌入了用于连接堆叠芯片的互连线路。
（02）两相冷却（The Fridge）如果水冷仍不足以解决问题，在微流控通道中使用可蒸发制冷剂。IBM 苏黎世研究实验室 Bruno Michel 指出，相变吸热远超液体循环。需精确控制系统压力，平衡沸腾量与蒸气质量。2015 年富士通开发出厚度不足1毫米的微型制冷系统，已应用于智能手机。
由麻省理工衍生出的初创公司CoolChip Technologies改进了传统风冷散热器的设计，将风扇与散热鳍片合二为一，这款装置体积仅为传统风扇的一半，噪音更低，同时散热效率提高了50%。微软已聘请CoolChip为Xbox One游戏主机开发散热系统。到2016年初，CoolChip的技术预计将应用于由台湾Cooler Master公司生产的数万个游戏主机散热系统中。
在核心热管理部件创新上，研究聚焦材料与结构优化，实现散热性能与多维度需求的平衡。碳纳米管热导率极高且具有柔性，能应对热胀冷缩。Lawrence Berkeley 国家实验室指出，纳米管不易与芯片封装形成化学键。利用有机分子形成共价键可提高热流 6 倍，但目前垂直生长的纳米管中仅约5%与金属表面接触。
散热片方面，银-金刚石复合材料、碳化硅、金刚石等材料的应用，既实现了 800 W/mK 以上的高导热率，又通过匹配芯片热膨胀系数（CTE）减少热应力；封装基板则通过有机材料添加氮化硼纳米管、陶瓷材料优化晶粒结构等方式，满足低介损、高机械强度需求；
热过孔技术通过硅通孔（TSV）、玻璃中介层铜过孔等结构，直接构建芯片到散热器的散热通道。3D-IC 作为突破平面系统级芯片（SoC）极限的关键路径，日益成为尖端设计的主流趋势。
对于复杂的3D芯片，必须通过以特定方式放置TSV（即穿过硅片的铜连接）来创建热通道，以帮助均匀散热。TSV可以提高性能、降低延迟、提高冷却效果。但TSV是由铜制成的，其导热性能受限，因此对于更高的散热要求，仅靠TSV无法完成。
在英特尔的最新研究中，一个混合式 TIM 架构被提出：在中心使用液态金属，在周围区域使用可形变的硅基黏接型 TIM。该设计不再依赖单一材料参数，而是通过热-机耦合仿真建立一种“自补偿”式界面结构。液态金属负责应对峰值热流密度，而低模量的黏接 TIM 则用于吸收翘曲与不平整度；外围采用“围坝”结构控制流动并稳定 BLT。这种架构显著降低了结到壳（Junction-to-Case）的热阻，同时保持翘曲与应力在可靠性范围之内。
自20世纪90年代初，美国的Natick单兵中心、Aspen公司、Foster-Miller公司等就开始研究微型蒸汽压缩制冷系统。BIM公司的S/390G4服务器首次在实际应用中采用蒸汽压缩制冷技术，将芯片温度维持在15～35℃，实现制冷量850～1 050 W，系统制冷效率（COP）达到2～3。蒸汽压缩制冷是一种适用于较高环境温度的冷却方式，能够将芯片保持在较低温度，具有较高的可靠性。其制冷效率（COP）通常可超过3.0，是其他制冷方式的三倍以上，也是电子芯片主动式散热技术中效率最高的方案之一。
传统上，片上系统（SoC）通过在封装外部安装散热片，并利用风扇强制空气流动来带走热量。近年来，一些数据中心开始引入液冷方案，因为液体相较于气体具有更高的比热容和热传导能力。例如目前英伟达、AMD、Google用于AI数据中心的GPU以及AISC芯片均采用的液冷架构。
随着制程向N3、N2、A16 演进，晶体管架构从 FinFET 转向 GAA（纳米片）和 CFET。芯片内部热量的传导路径极其复杂，但约 95% 的热量最终仍是通过散热片路径排出。以纳米片晶体管（nanosheet transistor）和互补式场效应晶体管（CFET）为例，主流芯片制造商已经开始从传统 FinFET 结构转向纳米片器件。纳米片晶体管用多层水平堆叠的半导体薄片取代了 FinFET 中的“鳍片”结构，而 CFET 则将这种架构推向极致——通过在垂直方向进一步堆叠纳米片，并将其分割成两个器件，使两个晶体管几乎占据与一个晶体管相同的平面面积。
12月21日三星直接宣布Exynos 2600量产了，而且还是全球首款2nm GAA工艺的手机芯片。与此前业界普遍预计CFET 将在 2030 年代进入量产应用提前了3年，目前英特尔18A、台积电N2都转向了该架构，量产的时间截点预估在2026年Q2-3。（至于为什么由FinFET必须转向GAA感兴趣的朋友可以留言让小编看到）。
此前比利时微电子研究中心（Imec）团队分析了即将到来的 A10 纳米片节点（对应 10 埃，即 1 纳米级工艺）以及在其后两代出现的 A5 CFET 节点。A10 节点后继的 A5 CFET 节点功率密度提高了12%~15%。相同电压下，结温将上升约9°C。在密集的数据中心环境中，这可能导致“热失控”——漏电功耗增加推高温度，形成正反馈循环，迫使硬件关机。乍一看9°C 的温升似乎并不显著，但在数据中心这种拥有数十万甚至上百万颗芯片高度密集部署的环境中，微小的温升可能正是“稳定运行”与“热失控”之间的分水岭。
BSPDN 的优势将电源线移至背面，通过降低电阻实现低压运行。背面电容可减少瞬态电压损失，背面集成电压调节器（IVR）允许不同核心在不同最低电压工作。
实现背面技术需将硅基底从750 微米减薄至约 1 微米。极薄的硅片无法有效向侧面传导热量。最近的研究显示，背面电源分配虽然解决了部分问题，却也可能带来新的热问题。原因在于BSPDN形成时晶硅层被极度减薄。在前表面设计中，硅基底厚度可达750微米。
由于硅导热性能良好，这一相对厚实的层可以通过横向传导热量帮助控制热点。然而，引入背面技术需要将基底减薄至约1微米，以便从背面接触晶体管。夹在两层金属线和绝缘层之间的这层薄硅片无法有效地向侧面传导热量。因此，过热晶体管产生的热量容易局部积聚，并被迫向冷却器方向上升，加剧了热点问题。仿线 核心服务器 SoC，BSPDN可能使热点温度升高高达14°C。
BSPDN是Imec所称的硅逻辑新范式——CMOS 2.0的一部分。这个新兴时代还将引入先进晶体管架构和专用逻辑层。这些技术的主要目的是优化芯片性能和功耗效率，但它们也可能带来热管理优势，包括改善散热效果。
在现有CMOS芯片中，单个晶体管需要驱动近距离和远距离的信号连接，效率有限。未来芯片将引入先进晶体管架构和专用逻辑层，优化性能和功耗，同时可能改善散热。通过两层驱动层设计，短连接晶体管可在更低电压下工作，从而降低功率密度。部分芯片模块将采用不同工艺独立制造，再通过3D堆叠组装成SoC，需仔细考虑热量流动。
解决芯片热问题需要多技术结合，单靠任何一项技术——无论是热界面材料、晶体管、系统控制方案、封装，还是散热器——都无法彻底解决未来芯片的热问题。过度依赖软件调控存在局限，可能影响性能。
在芯片设计端工程师可能会倾向于在未充分考虑热问题的情况下采用新半导体技术，并认为可以通过软件后续处理。然而，这种做法有一定局限。过度依赖软件方案会损害芯片性能，因为这些方案本质上不够精确。例如，为解决单个热点问题，可能不得不降低更大区域的性能，而该区域本身并未过热。因此，SoC设计与构建芯片所用半导体技术必须紧密协作、同步设计。为此，系统与工艺协同优化（STCO）方法应运而生，打破系统、物理设计和工艺之间的传统边界，实现整体优化。
值得关注的是清华大学曹炳阳团队近期针对芯片设计端，传统 EDA 只在封装阶段考虑散热，如今芯片内部热阻已占据总热预算的很大比例，单纯靠外部散热根本不足以满足需求的问题给出答案。团队提出了热设计自动化（TDA）框架，TDA 则把热分析提前到材料选择、器件设计阶段。以 “从原子到系统” 的全尺度协同设计，为行业痛点提供解决方案。目前已经和华为联想推进该项工作。
未来芯片的热管理问题还需各领域深度专家需要跨出自身舒适区，与芯片工程领域专家紧密合作。虽然尚未完全掌握解决行业日益严峻热挑战的方法，但有了合适的工具和协作机制，这一目标是可以实现的，未来芯片热管理挑战有望被有效应对。
从芯片级和封装级两个层面看，目前英伟达在芯片级采用的是台积电的CoWoS-L/R/S的封装工艺，如下图所示为（关于CoWoS-L/R/S的介绍此前小编有介绍过，感兴趣的可以查阅下方链接）。在如此复杂的结构里热流通路不再是单一方向的导热，而是需要穿越多个功能层、封装材料和界面接触面。热路径中任何一层导热性能的不匹配，都可能会引起局部热点、热阻叠加，进而限制芯片频率提升与长期可靠
在目前英伟达采用的冷板式液冷的方案，典型的传热路径包括：硅衬底本身、金属互连层、TIM1（通常为铟或石墨材料）、封装盖板（Lid）、TIM2（如石墨片或超薄导热膏），以及最终的散热器或冷板。
从两个角度来看，无论是芯片的内部的传热路径还是封装级由Lid-TIM-冷板，核心的问题还是界面的问题。整个传热的过程中涉及多层界面——硅衬底、金属互连、微凸块、底部填充、TIM等，由于这些分层的热界面，热量无法 100% 有效地传递到盖子上，因此导致局部“热点”。这种累积热阻是限制芯片上限功率输出的重要的因素之一。
（1）解决芯片热管理问题的核心之一就是缩短热路径并降低每层的界面热阻，可通过引入高导热材料以缩短热路径。例如金刚石薄膜/CVD金刚石、SiC 衬底、金刚石薄膜/CVD金刚石、铜-金刚石复合材料等，这些材料可以显着提升整体传热系数。
SiC衬底作为散热器碳化硅 （SiC） 具有 ~370–490 W/m·K 的高导热系数、优异的机械强度和高耐压性。作为散热基基板，它提高了热扩散和机械/电气性能，使其适用于未来的1 kW/cm²AI 芯片。
导热系数约1000–2200 W/m·K — 远远超过硅 （~150 W/m·K） 和 SiC。用作散热夹层或涂层，直接沉积在芯片或封装表面。超低热阻，近乎瞬时的热点分散;很适合500 W/cm²的热通量场景。成本高、CVD 工艺复杂以及与铜或 SiC 的热膨胀 （CTE） 不匹配。
晶体尺寸和热性能之间的这种明显相关性对于选择用于大功率电子冷却的金刚石材料至关重要。微晶和单晶金刚石对于下一代 AI/HPC 芯片散热器特别有前景。
金刚石/铜复合材料热管理方法显示出下一代大功率电子冷却的巨大潜力。利用液固分离技术将钛涂层金刚石颗粒掺入铜基体中，该复合材料在保持牢固的界面结合的同时实现了极高的导热性。
（2）通过增加热交换的有效表面积——通过更大的流体-固体接触面积增强对流传热。这促使业界探索了几种有前途的解决方案：
微通道盖（MCL）：将通道蚀刻在封装盖内表面，结合液体冷却，是 DLC 成熟前的关键过渡方案。英伟达也在2025年向供应商提出了关于开发MLCP技术的要求，预估下一代Vera Rubin搭载该技术；
直接液体冷却（DLC）：台积电通过应用背面铜柱工艺，将微流控结构直接集成到芯片背面；
TIM 演变阶段：导热硅脂 → 相变材料 → 金属焊料 → 纳米级直接键合，终极目标是“零界面”热阻；
台积电专注于发展TIM、硅集成微流控技术和引入SiC/金刚石衬底，突破材料和先进封装的界限。NVIDIA强调MLCP、系统级液体冷却（Direct-to-Chip 和 Direct-to-Silicon）以及共同设计散热和封装架构。最终目标两家公司都在相同的目标上趋同：降低热阻和增加有效散热面积。使未来的 AI 芯片能够以更高的功率水平和更高的密度稳定运行。在AI计算时代，这种热管理的演变正变得与逻辑扩展本身一样重要。
该路线反映了台积电将冷却视为设计技术协同优化（DTCO/STCO）核心组成部分的观点，也标志着散热解决方案将从系统层面向下移动到芯片和封装层面的范式转变，并与工艺、封装和互连技术紧密集成。
回望半导体发展的六十年，散热曾长期被视为封装后端的一项“辅助工程”。然而，当单颗芯片功耗冲击5000W的物理极限，散热技术已然从幕后走向台前，成为了定义算力天花板的核心变量。芯片散热已不再是单纯的“修补工作”，它正与晶体管架构、供电网络、光互连技术深度耦合成一个不可分割的整体。单打独斗的散热方案已成过去，跨领域的STCO 协同优化才是未来的唯一出路。
未来的芯片热管理，将是一场跨学科的协作革命：工程师、材料科学家与系统架构师需要打破边界，联合探索微观热流与宏观散热的平衡；新材料、新结构与新工艺必须同步设计，形成从原子尺度到系统级的全链路热优化方案。
只有这样，才能让下一代高性能芯片在极端功率密度下依然稳定运行，为AI算力、HPC以及下一代计算平台提供坚实保障。尽管当前人类尚未完全掌握所有答案，但随着材料科学、微纳制造与热分析算法的发展，这道束缚技术发展的“热墙”也会被技术人员层层瓦解。返回搜狐，查看更加多
